Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к срс

На тему: «Инновационная техника транспортировки нефти»

Выполнил:

Шахарманов С. К.

Проверил:

Нугуманов К.К.

к.т.н. доцент

Алматы 2014

Введение

Более-менее заметно гидравлический удар проявляется только в жёстких трубопроводах при большой скорости потока. Он происходит тогда, когда движущаяся с некоторой скоростью жидкость вдруг встречает на своём пути жёсткое препятствие, которым, как правило, бывает заслонка или заглушка. В подобной ситуации пресловутый cтальной шарик в вакууме просто отскочил бы от встретившейся стенки обратно с той же скоростью, с которой подлетел к ней. Однако жидкость -- не шарик, да и вокруг не вакуум, а жёсткие стенки, а сзади напирают следующие порции, которые ещё «не знают», что впереди прохода нет! В результате жидкость останавливается, а её кинетическая энергия превращаются в потенциальную -- потенциальную энергию упругого сжатия жидкости (ведь жидкости считаются несжимаемыми лишь по сравнению с газами, а на самом деле сжимаются примерно в той же степени, что и твёрдые тела с кристаллической структурой), а также потенциальную энергию упругого (а если не повезёт -- то и пластического, то есть необратимого) растяжения стенок трубы. Всё это приводит к тому, что давление в месте остановки стремительно возрастает, тем больше, чем выше была скорость жидкости и чем меньше её сжимаемость, а также чем выше жёсткость трубы. Это повышение давления и является гидравлическим ударом внезапно остановленной жидкости.

1. Фазы развития гидроудара

Как же развивается явление гидроудара? Рассмотрим самый простой пример -- внезапное заполнение жидкостью пустой трубы постоянного сечения, погружённой на некоторую глубину. Один конец этой трубы закрыт жёсткой заглушкой, а другой свободно сообщается с окружающей жидкостью. Кстати, практически то же самое будет, если рассматривать резкое перекрытие установившегося потока в такой же трубе, только там будет отсутствовать первая фаза -- заполнение пустой трубы, -- а роль заглушки будет играть перекрывшая трубу заслонка.

2. Факторы, влияющие на силу гидроудара

Эластичные стенки трубопровода значительно снижают силу гидроудара, достаточно легко увеличивая объём трубы или шланга в месте остановки жидкости. Если труба заполнена воздухом и по мере продвижения жидкости он не успевает покинуть трубу с нужной скоростью, это также способно предотвратить сильный гидроудар, поскольку в этом случае воздух играет роль пневматического амортизатора, в котором плавно повышается давление, и потому он оказывает всё большее сопротивление движению жидкости, постепенно замедляя её. Именно эти принципы использует большинство устройств для защиты трубопроводов от гидроударов.

Следует чётко понимать, что эти факторы лишь растягивают процесс гидроудара во времени, но общая энергия гидравлического удара при этом остаётся прежней. Однако за счёт увеличения времени процесса, снижается егомощность, а значит, и максимальное давление, и максимальное усилие, воздействующее на стенки трубы. Но именно это и является целью защиты от гидроудара -- ведь теперь трубу уже не разорвёт!

И, конечно, силу гидроудара снижает более плавное перекрытие потока и уменьшение рабочей скорости движения жидкости в трубе (если необходимо сохранить расход, то для этого придётся увеличить диаметр трубы -- скорость уменьшится пропорционально увеличению площади её просвета).

Если же силу гидроудара надо увеличить, то тут рекомендации обратные -- как можно более жёсткая (и прочная!) труба, как можно более резкое перекрытие потока и как можно больший разгон жидкости перед остановкой потока. гидроудар жидкость заглушка ударный

Особенности явления гидроудара

Гидроудар в силу своей природы имеет несколько существенных особенностей, о которых нельзя забывать.

Высокая скорость процесса

Прежде всего, следует учесть высокую скорость процесса. Поскольку скорость перемещения границ зон с различным давлением при высокой жёсткости трубы и заглушки определяется скоростью распространения упругих деформаций в жидкости, т.е. скоростью звука, всё происходит за очень короткое время.

Скорость звука в жидкостях обычно составляет порядка 1000...1500 м/с (для воды при 4°С -- 1.435 км/с, при 45°С 1.51 км/с (максимум), при 100°С -- 1.46 км/с), поэтому в трубе с водой длиной 15 метров процесс распространения ударной волны от заглушки до входа или обратно займёт примерно 10 миллисекунд. За это время тело, находящееся в покое, под действием ускорения свободного падения успеет набрать лишь скорость в 9.8 см/сек и пройти путь менее 5 сантиметров. При более коротких длинах эти цифры пропорционально уменьшатся.

Это означает, например, что в горизонтальной трубе за такое время пустота в зоне отрыва не успеет сколько-нибудь существенным образом перераспределиться и останется «сконцентрированной» именно возле заглушки, а не превратится в относительно небольшое снижение уровня жидкости на значительной части длины трубы. Многие другие эффекты, скажем, испарение заметного количества жидкости с границы зоны отрыва в область разрежения и, как следствие, существенное повышение там давления, также не смогут проявиться в полной мере из-за краткости отпущенного им времени.

3. Условия отрыва жидкости. Сильные и слабые гидроудары

В фазе разрежения отрыв жидкости от заглушки происходит не всегда. Для этого скорость потока должна быть достаточно высокой, а стенки трубы -- достаточно жёсткими, чтобы удар получился резким. Если удар окажется слишком слабым (или слишком плавным), то пустой области у заглушки не образуется, хотя в любом случае в фазе разрежения давление внутри трубы, в том числе непосредственно у заглушки, будет меньше, чем давление окружающей жидкости снаружи.

ДPуд > P0 + ДPh + ДPT (1),

где ДPуд -- максимальное повышение давления в фазе сжатия относительно внешнего давления; P0 -- абсолютное внешнее давление в резервуаре возле входа в трубу (т.е. давление относительно вакуума, а не атмосферы над поверхностью жидкости); ДPh -- гидростатическая разность давлений между входом в трубу и заглушкой, если труба расположена не горизонтально; ДPT -- необратимые потери давления при сжатии и расширении жидкости и стенок трубы в фазах 2-6.

Если пренебречь потерями, то для строго горизонтальной трубы критерий возникновения области вакуума будет ещё проще:

ДPуд > P0 (2).

Может возникнуть вопрос: как же повышение давления при гидроударе может превысить давление на входе в трубу? Однако здесь нет парадокса, так как скачок давления зависит лишь от резкости остановки потока и набранной им к этому моменту кинетической энергии, поэтому жёсткая труба и малосжимаемая жидкость могут обеспечить сильный удар даже при не слишком высокой скорости потока.

Таким образом, гидроудары можно разделить на «сильные», когда образуется область вакуума в зоне отрыва, и «слабые», когда мощности удара для этого не хватает. При этом следует помнить, что речь именно о мощностиудара, а не о его энергии, поскольку здесь определяющую роль играет резкость остановки.

4. Повторные циклы

Как уже было сказано выше, после фазы 7 (разрежения) снова следует фаза 1 -- пустая (или разреженная) часть трубы снова заполняется жидкостью под давлением. В результате при гидроударе происходит своеобразный колебательный процесс, естественно, довольно быстро затухающий. При этом весьма важно знать, что же является главным фактором для возникновения повторного удара -- разгон жидкости, заполняющей пустоту, возникшую при отрыве её от заглушки в фазе разрежения или упругая реакция внешней среды на возмущения, вызванные отбойным движением жидкости от заглушки ко входу в фазах 4-6.

Посмотрим, как при гидроударе с течением времени изменяется давление возле заглушки.

Изменение во времени давления возле заглушки при гидроударе. Слева -- сильный удар (с отрывом жидкости от заглушки), справа -- слабый (без отрыва). Синей линией показан уровень исходного давления (до начала гидроудара), голубой линией -- идеальный характер изменения давления при отсутствии потерь энергии. P0 -- давление свободной среды возле входа в трубу; ДPуд -- максимальное повышение давления при гидроударе; t0 -- длительность этапа при слабом гидроударе.

На рисунке видно, что при сильном гидроударе (слева) в фазе отрыва давление падает практически до нуля, т.е. образуется вакуум (0.1 МПа ~ 1 атм, давление измерялось относительно атмосферного, поэтому показания в -1 атм как раз и соответствуют абсолютному нулю давления). Однако это не слишком снижает энергию повторных гидроударов, более того, характер их постепенного ослабления не отличается от аналогичного ослабления при слабом гидроударе, показанном на рисунке справа.

При слабом гидроударе (без отрыва жидкости), фазы сжатия и разрежения имеют одинаковую длительность t0, обусловленную временем «путешествия» ударной волны от заглушки ко входу трубы и обратно. В этом случае возмущения не выходят в резервуар сколько-нибудь далеко от входа трубы, и период этих колебаний полностью определяется длиной трубы и скоростью ударной волны.

При сильном гидроударе обратным ходом (отбойной волной) жидкость выбрасывается из трубы с большой силой, и она выходит в резервуар достаточно далеко от входа в трубу, «расталкивая» уже находившуюся там жидкость. В результате этого в трубе возле заглушки освобождается место для зоны отрыва, однако и сила повторного удара обусловлена не только разрежением жидкости в трубе, но и возмущённой жидкостью в резервуаре вокруг входа в трубу. Поэтому повторный удар получается сильным, однако «затишье» между ударами существенно больше длительности каждого удара, поскольку ударная волна выходит далеко за пределы трубы, и этот путь требует дополнительного времени. По мере снижения силы повторных ударов интервал между ними сокращается, и когда скачок давления при очередном повторном гидроударе ДPуд становится равным давлению вне трубы P0, сравнивается с t0 и в дальнейшем уже не уменьшается.

С точки зрения математики можно сказать, что в каждом цикле гидроудара площади положительного и отрицательного отклонения от уровня давления P0 на графике P(t) должны быть равны, поскольку они пропорциональны энергии, а без учёта потерь энергия стадии сжатия и стадии расширения должна быть одинаковой. И, так как разрежение не может быть отрицательным, то в случае возникновения отрыва это условие соблюдается за счёт увеличения длительности фазы разрежения. Если же отрыва не возникает, то энергия «регулируется» амплитудой скачка давления, так как теперь «вакуумное ограничение» на стадии разрежения перестаёт действовать.

Таким образом, пренебрегая потерями и считая фронты нарастания и спада давления достаточно резкими (близкими к вертикальным), можно записать условие соотношения длительностей стадий сжатия и разрежения возле заглушки в следующем виде:

(P0 - Pс) · tсз = (Pр - P0) · tрз или ДPс · tсз = -ДPр · tрз (3),

где P0 -- исходное давление до начала гидроудара; Pс -- давление на стадии сжатия; tcз -- длительность стадии сжатия возле заглушки; Pр -- давление на стадии расширения; tpз -- длительность стадии разрежения возле заглушки; ДPс -- изменение давления на стадии сжатия; ДPр -- изменение давления на стадии расширения.

5. Размер имеет значение

С увеличением размеров трубы сила гидроудара значительно возрастает, причём для одного и того же давления у входа в трубу этот рост обычно круче линейной зависимости. Здесь мы рассмотрим качественные причины такого поведения (количественные результаты автоматически следуют из расчётов, приведённых в следующих разделах этой страницы).

Дело в том, что энергия гидроудара определяется его длительностью, зависящей от длины и жёсткости трубы, и мощностью, которая прямо зависит от скачка давления, в свою очередь линейно зависимого от скорости потока в момент остановки. Поэтому при той же скорости потока скачок давления будет тем же, но длительность гидроудара, а значит и его общая энергия, возрастут в соответствии с увеличением длины трубы.

Однако при увеличении линейных размеров масса (и, следовательно, кинетическая энергия при той же скорости) возрастает пропорционально объёму, т.е. кубу их изменения, а потери на трение о стенки трубы -- пропорционально площади соприкосновения, то есть квадрату изменения размеров. Таким образом, удельные потери энергии на трение на единицу массы жидкости уменьшаются, и потому при том же движущем усилии (внешнем давлении) скорость потока возрастает, а стало быть, увеличивается и скачок давления в момент остановки.

В результате при одном и том же внешнем давлении мы получаем сильный гидроудар в большой трубе и слабый -- в маленькой. При этом слишком большое удлинение трубы без увеличения её диаметра также ослабит гидроудар за счёт того, что возрастающее гидравлическое сопротивление снизит скорость потока к моменту остановки. Отсюда следует вывод, что имеется некоторая оптимальная (или, может быть, наоборот -- фатальная) длина трубопровода, при которой гидроудар имеет максимальную силу. При меньшей длине поток не успевает разогнаться до максимальной скорости либо длительность гидроудара получается слишком маленькой, при большей -- гидравлическое трение отбирает слишком много энергии у движущегося потока, снижая его скорость до «безопасных» величин. Кроме того, если при увеличении диаметра трубы толщина её стенок не увеличится, то жёсткость, а следовательно, скорость ударной волны и скачок давления при гидроударе снижаются. Правда, на столько же возрастает его длительность, -- так что общую энергию гидроудара снижение толщины стенок не уменьшает, а вот шансы разрыва трубы увеличиваются!

Для слишком узких трубок большое значение начинают играть поверхностные эффекты, в том числе поверхностное натяжение. Все они препятствуют разгону потока и потому также снижают силу гидроудара. Чтобы получить в капиллярной трубке сколь-нибудь заметный гидравлический удар, надо сильно постараться!

6. Расчёт длительности стадий сжатия и расширения у заглушки

Расчёт длительности стадий сжатия и расширения будем проводить в предположении, что длина трубы, а следовательно, и время распространения гидроудара по ней, намного больше времени рассеивания ударной волны у входа в трубу. Это справедливо в большинстве случаев, поскольку обычно длина трубы превышает её диаметр в десятки, сотни, а то и тысячи раз. Однако для коротких труб, длина которых сравнима с их диаметром, нельзя не учитывать механизм рассеяния ударной волны у её входа, поскольку в этом случае он может заметно повлиять на длительность стадии сжатия.

7. Расчёт длительности стадий сжатия и расширения в произвольном месте трубы

Картина изменения давления в произвольном месте трубы несколько сложнее, чем показанная на предыдущем рисунке возле заглушки.

Изменение давления со временем в произвольном месте трубы при гидроударе. Слева -- сильный удар (с отрывом жидкости от заглушки), справа -- слабый (без отрыва). Красным показано изменение давления в середине трубы, жёлто-серым -- возле заглушки; синяя линия показывает уровень исходного давления (до начала гидроудара), голубая -- идеальный характер изменения давления у заглушки при отсутствии потерь энергии. P0 -- давление свободной среды возле входа в трубу; ДPуд -- максимальное повышение давления при гидроударе; t0 -- длительность этапа при слабом гидроударе; tП -- длительность «полочки».

Здесь появляются «полочки», уменьшающие длительности экстремальных давлений (как пониженного, так и повышенного) относительно длительности каждого этапа возле заглушки. Они связаны с задержкой, неизбежной при распространении до интересующего нас места трубы возникающей возле заглушки зоны экстремального давления. Очевидно, что по мере приближения к заглушке эти «полочки» будут уменьшаться и совершенно исчезают возле заглушки. Наоборот, по мере приближения ко входу в трубу из резервуара они нарастают, пока в сумме не станут равны tсз (оно же t0 на рисунках). Таким образом, возле входа в трубу длительность стадии сжатия становится ничтожной, а вот длительность стадии разрежения при условии сильного удара с отрывом жидкости от заглушки будет оставаться вполне заметной.

Длительность «полочки» определяется расстоянием от заглушки и скоростью распространения ударной волны:

tп = l / c (8),

где tп -- длительность «полочки» (стадии нормального давления); l -- расстояние по трубе до заглушки; с -- скорость распространения ударной волны, вычисляемая по формуле (5).

Таким образом, длительность стадий сжатия и разрежения в произвольном месте трубы будет рассчитываться по формулам

tc = tсз - 2 tп (9) и

tр = tрз - 2 tп (10),

где tc и tр -- длительности стадий сжатия и разрежения в произвольном месте трубы; tcз и tрз -- длительности стадий сжатия и разрежения возле заглушки, вычисляемые по формулам (6) и (7) соответственно; tп -- длительность «полочки» (стадии нормального давления) в данном месте трубы, вычисляемая по формуле (8).

Не следует думать, что в силу конечного времени нарастания и спада давления (неидеальности фронтов) максимальные усилия на стенки трубы возле её входа будут меньше, чем возле заглушки. Время воздействия максимального давления у входа действительно будет мизерным, но сам спад максимального давления начинается уже вне трубы -- в зоне ускорения жидкости. И неидеальность фронта спада формируется именно там -- вне трубы.

Наконец, следует отметить, что разрежение, вплоть до практически полного отсутствия давления при сильном гидроударе, отнюдь не означает, что на этой стадии жидкость покидает всю трубу. Это лишь означает, что жидкость перестаёт давить на её стенки. Реально пустота образуется только в зоне отрыва возле заглушки -- там же, где возник гидроудар при внезапном перекрытии потока.

8. Расчёт ускоряющегося потока

Сила гидравлического удара прямо зависит от скорости, которую успел набрать останавливаемый поток. Достаточно определённо о скорости потока можно сказать только в одном случае -- при резком перекрытии установившегося потока. Однако во многих случаях поток под воздействием внешнего давления (или, что то же самое, перепада уровней) периодически набирает некоторую скорость, после чего резко перекрывается, а затем цикл повторяется снова -- таков, скажем, принцип работы гидравлических таранов. Этот же процесс имеет место при повторных циклах гидроудара независимо от того, был ли вызван первичный гидроудар перекрытием установившегося или ускорявшегося потока. Поэтому возникает необходимость определить следующие взаимосвязанные величины:

максимальную скорость, которую изначально покоящаяся жидкость под воздействием внешнего давления может набрать при заполнении трубы;

время, за которое на этом расстоянии поток наберёт заданную скорость (конечно, не превышающую максимально возможной);

скорость, которую поток может достичь, имея заданное расстояние для разгона.

При рассмотрении будем предполагать, что поток начинает заполнять горизонтальную пустую трубу, среда внутри которой не оказывает ему сколько-нибудь заметного сопротивления. Кроме того, давление в резервуаре на уровне входа в трубу также будем считать постоянным (это соответствует ситуации, когда объём резервуара намного больше заполняемого объёма трубы, либо такая неизменность давления обеспечивается специальными техническими средствами).

Расчёт сначала проведём без учёта потерь на гидравлическое трение (для сверхтекучей жидкости), а затем попробуем учесть потери.

9. Гашение ударной волны

Поскольку жидкость разгоняется перед входом в трубу, то, когда в результате гидроудара жидкость в трубе остановилась, вынуждена остановиться и уже набравшая некоторую скорость жидкость возле входа в трубу. Эта остановка вызывает повышение давления вокруг входа, что часто интерпретируется как «выход ударной волны из трубы». Однако повышение давления прямо пропорционально скорости останавливаемой жидкости, а вне трубы эта скорость падает обратно пропорционально квадрату расстояния до входа. Поэтому уже в 10 радиусах трубы от её входа скачок давления при гидроударе составит лишь 1% от его силы в самой трубе -- это выглядит как «затухание» ударной волны при выходе её из трубы.

Жидкость в трубе начинает двигаться наружу сразу, как только ударная волна вышла из трубы, поскольку давление сразу становится меньше давления в трубе, хотя и превышает давление невозмущённой внешней жидкости. Однако перепад давлений пока не так велик, и поэтому жидкость движется ещё не так быстро. Затем давление вне трубы быстро падает, и скорость движения жидкости наружу также быстро нарастает. Тем не менее, этот процесс обуславливает принципиальную неидеальность фронта падения давления, начинающего движение от входа к заглушке -- он не может быть идеально скачкообразным даже теоретически! На рисунке в фазе (5) это показано как размытость границы падения давления.

Наконец, следует напомнить, что все описанные здесь процессы присходят очень быстро. Если гидроудар был достаточно слабый и отрыва жидкости от заглушки не произошло, то для трубы диаметром в несколько сантиметров время гашения ударной волны и формирование обратного фронта измеряется не милли-, а микросекундами!

Кстати, при обратном движении на стадии отбоя торможение выбрасываемой из трубы жидкости также происходит вне её пределов -- в объёме резервуара возле входа. В случае сильного обратного движения со значительным отрывом жидкости от заглушки несферичность зоны торможения более выражена за счёт изначального присутствия направленного скоростного напора, и вблизи от входа трубы она, скорее, напоминает «факел», чем сферу. При этом непосредственно у стенок трубы возле входа возможна эжекция (подсос) жидкости в направлении выброса, то есть к срезу трубы, а не от него. Однако по мере торможения и удаления от входа форма эквискоростной поверхности при торможении выброса во внешней среде опять-таки приближается к сферической.

Особые случаи

Теперь рассмотрим особые случаи гидроудара, когда условия существенно отличаются от рассматриваемых до сих пор «идеально-лабораторных». Наиболее часто встречающиеся отличия можно свести к следующим случаям.

Поток заполняет трубу, которая предварительно уже была частично заполнена жидкостью.

Поток сталкивается не с твёрдой неподвижной заглушкой, а с другим потоком жидкости, который может двигаться ей навстречу («лобовое столкновение») или в ту же сторону (новый поток догоняет и «подталкивает» предыдущий).

Гидроудар происходит с утечками жидкости из трубы, например, при неполном перекрытии трубы заслонкой или заглушкой, либо в трубе, где имеются дополнительные отверстия помимо входа, через который вливается поток.

Гидроудар в частично заполненной трубе

Нередко труба, в которую устремился поток, вызвавший гидроудар, бывает уже частично заполнена жидкостью -- неподвижной или движущейся в ту или другую сторону. Рассмотрим два крайних случая -- гидроудар в частично заполненной горизонтальной трубе, где жидкость равномерно распределена по её длине, и гидроудар в вертикальной трубе, где жидкостью уже заполнена часть трубы возле заглушки.

Рассматривая эту ситуацию в общем, можно сказать, что энергия гидроудара по сравнению с заполнением пустой трубы уменьшается в число раз k, равное

k = VП / VТ = (VТ -- VЖ) / VТ (19),

где VП -- незаполненный внутренний объём трубы; VT -- весь внутренний объём трубы; VЖ -- объём жидкости в трубе до начала заполнения её потоком.

Соответственно сила гидроудара, определяемая интегральной скоростью всей жидкости в трубе, уменьшится в vk, то есть пропорционально квадратному корню от отношения незаполненного объёма к общему объёму трубы.

Гидроудар в результате столкновения потоков

Гидроудар может возникнуть не только при столкновении потока c неподвижной жёсткой заглушкой или задвижкой, но и в случае его столкновения с другим потоком, движущимся по той же трубе. При этом один поток может «догнать» другой, движущийся в том же направлении, либо испытать «лобовое столкновение» с потоком, движущимся навстречу.

Эта ситуация отнюдь не редкая. Она может возникнуть практически в любом закольцованном трубопроводе, например, в домовой жидкостной отопительной системе в момент её заполнения теплоносителем, если слесари неправильно откроют вентили.

Тем не менее, расчёт здесь очень прост -- в случае встречного столкновения повышение давления (т.е. сила гидроудара) равно сумме повышений давлений для каждого из потоков, если бы он столкнулся с неподвижной преградой. В случае же попутного удара более быстрого потока в «хвост» более медленного повышение давления будет равно разности скачков давлений гидроударов каждого из потоков о неподвижную преграду.

Дальнейшее развитие событий протекает аналогично гидроудару в частично заполненной вертикальной трубе за одним исключением -- поскольку в этой трубе нет жёстких заглушек, жидкость может не остановиться, а продолжить движение в том направлении, в котором двигался более «сильный» поток, т.е. поток с большей энергией или подпитываемый внешним источником (конечно, скорость потока при этом изменится).

11. О сверхъединичности гидроударов

Выше мы рассматривали гидроудар с «традиционных» механистических позиций. В то же время есть довольно много сведений, что при сильных одиночных гидравлических ударах или при множественных относительных слабых (в том числе при кавитации) имеют место необычные явления, не сводимые к механике и, возможно, приводящие к появлению некоей дополнительной энергии. Особенно часто отмечают видимое глазом свечение и аномальный нагрев микрообъёмов жидкости в зоне кавитации. Реже обращают внимание на весьма необычные с «механической» точки зрения результаты кавитационной коррозии, заключающиеся не только в традиционном разрушении и изъязвлении материалов, но и образовании различных «наплывов» и выступов (часто это объясняют «эффектом ковки», который оказывают кавитационные пузырьки на металл деталей, однако здесь имеет место явный перенос потоком жидкости материала корродировавшей детали, поскольку расстояние между зонами разрушения и осаждения материала в таких случаях часто на порядки превышает размеры «молотов»-пузырьков).

Следует отметить, что на короткое время гидроудар ставит вещество в крайне экстремальные условия -- давление может возрастать на сотни и даже тысячи атмосфер, что соответствует условиям на глубине в десятки километров, где вещества приобретают экзотические свойства и претерпевают необычные трансформации (например, твёрдые вещества проявляют текучесть, а графит может превратиться в алмаз). Но даже если давление вырастает не очень сильно (на десятки атмосфер, а то и просто на несколько атмосфер), скорость изменения давления для каждой попавшей под удар частички вещества очень высока -- 1012 Па/с и более (не путать со скоростью распространения ударной волны!). Она вполне сравнима, а то и превосходит скорости изменения давления при взрывах. При этом образующаяся во время взрывов газовая или плазменная среда является весьма сжимаемой, -- она «амортизирует» удар, и чуть дальше от эпицентра давление нарастает гораздо более плавно. Но во время гидроудара из-за малой сжимаемости жидкостей и высокой жёсткости материала стенок этот сверхрезкий скачок давления воздействует практически на весь объём, участвующий в гидроударе. Столь резким скачкам давления соответствуют и гигантские ускорения и торможения частичек вещества при прохождении через них фронта ударной волны. Правда, длятся они нано- и пикосекунды, поэтому общее смещение частиц жидкости мало и обычно составляет, в соответствии с её малой сжимаемостью, микрометры или нанометры. Тем не менее, по меркам атомов и молекул, эти сдвиги весьма велики, и возникающие при этом силы тоже немаленькие. Так что нельзя исключить, что такие «наносдвиги» могут стать причиной каких-то необычных явлений.

Тем не менее, на данной странице такие явления не рассматривается, поскольку если что-то подобное и имеет место, то его воздействие весьма мало и не оказывает никакого заметного влияния ни на одиночные гидроудары (в трубопроводах), ни на множественные повторяющиеся гидроудары в гидравлических таранах (там они происходят в условиях проточного движения рабочего тела и с относительно большим периодом, обычно раз в несколько секунд). Гидроудары исследовались многими людьми в течении многих лет, и явные аномалии давно были бы замечены. Не влияют подобные явления и на расчёт параметров единичного рабочего цикла в случае частых повторных гидроударов. Однако в условиях частого (десятки и сотни раз в секунду) повторения в замкнутом объёме циркулирующего рабочего тела результаты таких эффектов могут суммироваться и проявляться вполне ощутимо. В таком случае, резонно с их помощью попытаться объяснить работу некоторых конструкций Виктора Шаубергера и, возможно, Ричарда Клема, -- а тогда эти явления требуют подробного и тщательного изучения.

Устройство для защиты от гидравлического удара

Устройство предназначено для защиты жидкостных систем, например нефтепроводов, водоводов, тепловых сетей и т.п., от воздействия гидравлических ударов, которые возникают при пуске и остановке указанных систем, в результате землетрясений и в других случаях. Устройство для локализации гидравлических ударов состоит из последовательно соединенных по ходу движения жидкости герметичной емкости и обратного клапана. Причем для восприятия избыточной жидкости, притекающей при гидравлическом ударе, указанная емкость снабжена покрытыми слоем резины, полыми, находящимися под вакуумом, хрупкими (стеклянными) шарами, разрушающимися при превышении давления в системе, выше допустимого. Технический результат - повышение надежности жидкостных систем.

При пуске и остановке жидкостных систем в них возникают переходные процессы, сопровождающиеся нередко быстрым изменением скорости потока и повышением давления жидкости. Это повышение давления в гидродинамике получило название гидравлического удара: весьма опасного явления, способного разрушить трубопроводы, насосы и другие элементы, входящие в состав указанных систем.

Известны устройства, предохраняющие жидкостные системы от разрушительного действия гидравлических ударов, содержащие принудительно управляемые предохранительные клапаны, объединяющие функции задвижки и обратного клапана; насосы, допускающие обратное вращение ротора; воздушные емкости и аккумуляторы, выполняющие роль гасителей колебаний давления жидкости; специальные клапаны для срыва вакуума, если в трубопроводе невозможно избежать разрыва сплошности жидкости и т.п.

Недостатки известных устройств для защиты жидкостных систем от действия гидравлического удара вытекают из их инерционности - как правило, наблюдается проскок части ударной волны, - если в качестве таких устройств используются механические предохранительные клапаны или вантузы; а также из больших размеров и способности насыщать кислородом воздуха жидкость, протекающей по системе, что в свою очередь приводит к повышенной коррозии металлических трубопроводов системы, если для этих целей используются воздушные емкости.

Наиболее близким решением к заявляемому изобретению является устройство для локализации гидравлического удара, описанное в [3].

Устройство [3] включает герметическую емкость (воздушный колпак) и задвижку или обратный клапан, соединенных между собой и остальными элементами жидкостной системы трубопроводами.

Недостатком этого решения является необходимость создания в воздушном колпаке избыточного давления, величина которого, например при глубине шахты или рудника 1000 м, может достигать 10 МПа. Воздух при таком давлении будет настолько изначально сжат, что его дальнейшее сжатие в процессе локализации гидравлического удара будет весьма незначительным. Поэтому, чтобы такой локализатор выполнил свое предназначение, он должен иметь большие размеры, а это, в свою очередь, повлечет за собой соответствующее увеличение толщины стенок и металлоемкости устройства. Кроме того, под таким давлением воздух будет активно растворяться в жидкости (воде). Для восполнения воздуха данное устройство должно иметь специальный компрессор, что заметно усложняет и повышает стоимость решения поставленной задачи.

Одновременно следует учитывать то, что в ряде случаев, когда длина волны гидравлического удара не находится в соответствии с объемом воздуха, можно получить обратный эффект: воздух выполнит роль сжатой пружины, которая не только не уменьшит удар по системе, а, наоборот, еще больше его усилит. Такой ход событий не исключается, поскольку гидравлические удары, как правило, являются следствием случайных событий, поэтому параметры этих волн также являются случайными величинами, то есть такими, которые заранее определить трудно.

Кроме того, как было выше указано, воздух, содержащийся в колпаке, может насыщать кислородом протекающую по нему жидкость, что увеличит скорость коррозии жидкостной системы и одновременно сократит срок ее службы.

Для увеличения эффективности локализатора гидравлических ударов: уменьшения давления в нем, его размеров и веса, устранения необходимости постоянной подкачки воздуха, исключения насыщения кислородом протекающей жидкости и увеличения срока службы жидкостной системы предлагается устройство, содержащее герметичную емкость, заполненную жидкостью и плавающими в ней полыми, покрытыми слоем резины и находящимися под вакуумом шарами из хрупкого, коррозионностойкого материала, преимущественно из стекла. Эти шары по внешнему виду, по конструкции и по способу изготовления напоминают обрезиненные электрические лампочки. Прочность полых шаров выбирают таким образом, чтобы они сохранялись в условиях рабочего давления в гидравлической системе и разрушались при повышении давления по каким-либо причинам до значения, опасного (предельного) для элементов этой системы. Чтобы уменьшить объем затекающей жидкости в герметичную емкость и соответственно ее размеры и количество полых шаров, указанную герметичную емкость снабжают обратным клапаном, установленным за этой емкостью по ходу движения жидкости.

Новым в заявляемом изобретении является введение внутрь воздушного колпака вместо воздуха покрытых слоем резины, полых, находящихся под вакуумом шаров из хрупкого материала, преимущественно из стекла. Прочность этих шаров обеспечивает их сохранность при воздействии давления не менее рабочего, но не выше предельного в данной точке системы.

Указанные новые признаки не выявлены из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень".

Перечисленные новые признаки в совокупности позволят существенно повысить технико-экономические показатели локализаторов гидравлических ударов. Использование стекла в качестве материала для изготовления полых шаров обеспечивает практически неограниченный срок их службы.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез заявленного устройства; на фиг. 2 приведен поперечный разрез этого же устройства.

Устройство содержит резервуар 1, выполняющий роль воздушного колпака в известном устройстве, внутри которого в перфорированном каркасе 2 расположены покрытые резиной 3, полые, находящиеся под вакуумом шары 4 из хрупкого материала (стекла). За упомянутым резервуаром, по ходу жидкости, расположен обратный клапан 5. Для подвода и отвода жидкости предусмотрены трубопроводы 6 и 7.

Заявленное устройство работает следующим образом. В обычном режиме жидкость от какого-либо источника с помощью, например, насоса (на чертеже не показан), подается по трубопроводу 6, далее проходит через резервуар 1, через обратный клапан 5 и трубопровод 7 к потребителю (на чертеже не показан) данной жидкости. При возникновении гидравлического удара в результате, например, мгновенного закрытия задвижки у потребителя, ударная волна со скоростью 500-1300 м/с (для стальных и чугунных труб) будет распространятся в сторону обратного клапана 5. В момент подхода волны гидравлического удара к обратному клапану 5 этот клапан начнет закрываться, однако часть жидкости, из-за инерционности клапана и большой скорости распространения ударной волны, успеет до его полного закрытия перетечь в резервуар 1. В результате поступления дополнительной жидкости в резервуар 1, давление в нем (учитывая, что жидкости, в отличие от воздуха, практически не сжимаются) может значительно повысится.

Однако при повышении давления выше расчетного происходит разрушение полых, находящихся под вакуумом шаров 4. Объем, ранее занимаемый этим шаром, заполнится жидкостью и давление в резервуаре 1 понизится до расчетного. Таким образом, воспринимая на себя ударную волну, данное устройство защищает от разрушения все элементы, расположенные от источника жидкости до обратного клапана 5. К этим элементам преимущественно относят насосные станции, как наиболее слабое и дорогостоящее звено всей гидравлической системы. Небольшой слой резины 3 вокруг полых шаров 4 и перфорированный каркас 2 предохраняют гидравлическую систему от засорения остатками шаров, разрушившихся при воздействии гидравлического удара. Периодически резервуар 1 вскрывают, и разрушившиеся шары 4 заменяют на целые.

Список литературы

1. Боярский В.А., Киров И.П. "Водоотлив и осушение на горных предприятиях", М., Высшая школа, 1980 г., стр. 223.

2. Абрамов Н. Н., Гениев Н.Н., Павлов В.И. "Водоснабжение", М., Госстройиздат, 1985, стр. 125 и 126, рис. 81.

3. Френкель Н. З. "Гидравлика", М.-Л., Гос. энергетическое изд. 1947, стр. 289, рис. 202.

4. Седых Н. А., Ильин Ю.А. "Сейсмостойкий водовод" Изобретение, а.с. N 211883, 1984 г.

Размещено на Allbest.ru